FBI teorisi ve üretim yöntemleri

FBI’nın keşfi, fiber optik algılama ve telekomünikasyon sistemlerinde, araştırma ve geliştirme üzerinde önemli bir etki yapmıştır. FBI’lar genellikle telekomünikasyon sistemlerinde optik filtre, dispersiyon dengeleyici bileşenler ve dalgaboyu bölmeli çoğullama sistemleri olarak kullanılmaktadırlar [101]. Ayrıca, FBI'lar ızgara alanındaki herhangi bir değişime duyarlıdır ve bu özellikleri algılama birimi olarak kullanılmaları için kapsamlı araştırmalara yol açmıştır [102].

FBI’dan bilgiler dalgaboyu kodlamalı olarak ölçülmektedir. Şekil 3.12’den de görüldüğü gibi FBI, fiber özünün uzunlamasına ekseni boyunca kırılma indisinin periyodik ya da yarı periyodik bir dikey girişimidir [2, 4].

Fiber Bragg Izgara Öz

Yelek Hava

Şekil 3.12. Fiber Bragg ızgara yapısı

FBI’lar tek modlu fiber üzerinde çeşitli yazma teknikleri kullanılarak üretilmektedir. Bu tekniklerden yaygın olarak kullanılanlar yan yazma tekniği, faz maskesi ve nokta tekniğidir

Bragg ızgaralar fiber öz üzerine uzamsal olarak değişen, yoğun UV ışınım uygulanarak üretilmektedirler. Kısa dalgaboyu (<300 nm) UV fotonları, son derece kararlı silikon-oksijen bağları kırmak için yeterli enerjiye sahiptir ve fiber öze uygulanarak özün yapısını değiştirmekte, kırılma indisini ise yavaşça artırmaktadırlar. İki tutarlı ışın veya fiber boyunca konumlanan maskelerden kaynaklanan UV yoğunluğu içerisindeki periyodik uzamsal değişim, fiberin kırılma indisindeki periyodik değişimin yerini tutmaktadır [1, 2].

Günümüzde FBI’lar yaygın olarak, germanyum katkılı silika fiber öz üzerine periyodik ultraviyole ışınım uygulanarak oluşturulan kırılma indis yapılarıyla üretilmektedirler.

Germanyum ışığa duyarlı olduğu için, FBI üretiminde genellikle germanyum katkılı fiber öz kullanılmaktadır. Bu yöntemde çoğunlukla 240 nm ve 193 nm UV bantları kullanılmaktadır.

Fiber öz üzerinde oluşturulan bu kalıcı kırılma indis değişimi ise ışığa duyarlılık olarak adlandırılmaktadır [1].

Işığa duyarlı fiber üretmenin ve onun üzerine ızgaraları yazmanın ilk dönemlerinde bu işlemler ayrı ayrı yapılmaktaydı. Günümüzde ise bu iki işlem aynı anda yapılmaktadır.

Böylece üretim süresi ve maliyet azalmakta ve bir fiber öz üzerine daha fazla sayıda FBI gömmek mümkün olmaktadır.

Başlangıçta, ızgaralar fiber çekirdeği boyunca ilerleyen 488 nm argon iyon lazer kullanılarak imal edilmiştir. 1981 yılında FBI oluşum mekanizması, morötesi (UV) ışığın, çekirdeği oluşturan katkılı silis bant açısının hemen altındaki noktaya nüfuzu ile gerçekleşen iki foton yapısı rapor edilmiştir. Daha sonra, kırılma indisindeki herhangi bir değişikliğin tüm germanyum katkılı optik elyaflara indükte edilebileceği gösterilmiş ve FBI'daki araştırma faaliyetleri farklı bir boyut kazanmıştır. Işığın saçılmasının fotosensitivite kaynaklı olduğunun anlaşılması ile de cam materyalin kırılma indisinde kalıcı bir değişiklik meydana gelmiştir [1].

Bundan yaklaşık 10 yıl sonra, yan yazma tekniğinin (transvers holografi tekniği) geliştirilmesi ile FBI tarihinde bir atılım meydana gelmiştir. Bu teknik literatürde harici yazma tekniği ya da interferometrik teknik olarak da bilinmektedir. Bu metotta, 244 nm ışınım ikiye bölünmektedir ve ışığa duyarlı fiber özünde tekrar birleştirilmektedir. Bu teknik ile oluşturulan saçak modeli, kalıcı bir kırılma indis değişimi meydana getirmektedir [97].

Yan yazma tekniğine dayalı FBI üretim yöntemi Şekil 3.13’te görülmektedir.

UV Ayna

UV Ayna Dengeleyici

Levha UV

Işınım

%50 Işın Ayırıcı

Şekil 3.13. FBI yan yazma tekniği [102]

Bundan sonra birçok harici yazma tekniği geliştirildi ve rapor edildi. FBI’ların faz maskesi ile üretim metodu ise ilk olarak 1993’te uygulanmıştır [91]. Bu yöntemde UV ışık maskeden

geçirilerek tek modlu fibere uygulanmakta ve ızgara yapısı oluşturulmaktadır. Faz maskesi üretim yöntemine ait temsili gösterim Şekil 3.14’te görülmektedir.

Öz

Gelen UV Işın Faz maskesinin adım aralığı

FBI

ᴧ

Şekil 3.14. Faz maskesi kullanılarak FBI üretme yöntemi [1]

Bu yöntemde ızgara periyodu, faz maskesinin periyodunun yarısına eşittir (Λ_mask= 2λ_B).

Bu tekniğin en önemli dezavantajı, her bir özel Bragg dalgaboyu için faklı faz maskesine ihtiyaç duyulmasıdır [1,103].

Nokta (femtosaniye lazer ışıma) tekniği ise, Bragg ızgaraları bir optik fiber içerisinde yazmanın en esnek yöntemlerinden biridir. Bu metot ile UV kaynak bir yarıktan geçmektedir ve sonra fibere odaklanarak bir noktada indis değişimini oluşturmaktadır. Daha sonra fiber Bragg periyodu mesafesi “Λ” kadar kaydırılmaktadır [104]. Nokta tekniği üretim yöntemine ait temsili gösterim Şekil 3.15’te görülmektedir.

Şekil 3.15. Nokta tekniği ile FBI üretme yöntemi [104]

FBI

Mikrofiber

Femtosaniye Darbeleri

Standart TMF Standart

TMF

Bu üretim yöntemlerinden biri kullanılarak üretilen FBI’lar, fiber içerisinde bir pul aynası gibi davranarak, fiber özün kırılma indisinde oluşan periyodik değişime bağlı olarak özgün bir dalgaboyunu yansıtmaktadırlar. Bu pul aynasında oluşan küçük yansıma Bragg yansıması olarak adlandırılmaktır. Optik fiber kablo üzerinde yaklaşık 1 cm uzunluğunda bir yer kaplayan FBI, kendisine gelen geniş bantlı ışığın spektrumunda, Bragg dalgaboyunu geri yansıtmakta, kalanını ise iletmektedir.

FBI’lar genellikle silika fiber öz üzerine işlenmekle birlikte, bazı mekanik ve kimyasal parametrelerinden dolayı polimer optik fiberler de kullanılmaktadır. Polimer optik fiber yapıları üzerine işlenen ızgara sensörler, kimyasal ve biyokimyasal yapılarda bazı avantajlar sunduğundan, tıp ve ilaç sektöründe daha çok tercih edilmektedirler.

Izgara saçaklarının fiber içinde üretilmesi yöntemine ve algılama mekanizmalarına göre FBI’lar Tip I, TipIA, TipII, TipIIA ve Rejeneratif Izgara olmak üzere farklı türlere ayrılmaktadır. FBI’da tip kavramı ışığa duyarlılık ve yüksek sıcaklıklara dayanma kabiliyeti gibi özelliklerle ilişkilidir. Bu FBI tiplerinde, fiberdeki katkılar ve üretim aşamasında fibere uygulanan ışığın karakteristiği değişmektedir [1].

FBI’nın yapısı, kırılma indisindeki veya ızgara periyodundaki değişime göre değişiklik gösterebilmektedir. Akıllı bir yapıda, FBI’nın ızgara periyodu tekdüze veya kademeli olabilmektedir. Ayrıca noktasal veya dağıtılmış da olabilmektedir. Kırılma indisindeki en önemli karakteristikler ise kırılma indis profili ve kaydırmadır. Kırılma indis profili tekdüze veya apodize olmakta, kırılma indisindeki kayma ise pozitif ya da sıfır olmaktadır [1,2].

Algılama sistemlerinde, ızgara periyodu ve kırılma indis profil değişimine göre en yaygın kullanılan FBI, sabit ızgara alanına sahip tekdüze yapıdır. Bu yapıda ızgara periyodu tipik olarak 0.25-0.5 µm aralığındadır. Bu yapıdaki sensör ile en doğru gerilme ile sıcaklık algılaması yapıldığı düşünülmektedir, çünkü ölçümler dalgaboyu kodlamalı yapılmaktadır.

Bu da diğer optik temelli sensör sistemlerinde görülen genlik ve yoğunluk dalgalanmalarını elimine etmektedir [1, 2, 4]. Şekil 3.16’da tekdüze yapıya sahip FBI’nın modülasyon genliği ve periyodu ile birlikte tipik bir gösterimi görülmektedir.

Fiber Bragg Izgara

Şekil 3.16. Tekdüze FBI’nın indis modülasyon genliği ve periyot gösterimi [1]

Şekil 3.16’da FBI’ya giren, iletilen ve yansıyan ışık yayılımları grafiksel olarak görülmektedir. Her bir ızgaradan yansıyan ışığın katkısıyla Bragg durumu doyuma ulaştığında, yapısal olarak yansıyan sinyalin merkez dalgaboyu ızgara parametreleri ile tanımlanmaktadır. Bragg durumu enerji ve momentum korunumunun her ikisinin de katkısıyla doyuma ulaşmaktadır. Enerji korunumu gelen ve yansıyan ışıma için aynı olmak durumundadır. Momentum korunumunda ise gelen dalga vektörü ile ızgara dalga vektörünün toplamı yansıyan dalga vektörüne eşit olmak durumundadır. Bu ilişki Eş. 3.1’de görülmektedir.

𝑘_𝑓 = 𝑘_𝑔 + 𝑘_𝑖 (3.1)

Burada 𝑘_𝑓 yansıyan dalga vektörünü, 𝑘_𝑖 gelen dalga vektörünü ve 𝑘_𝑔 ise 2𝜋 𝛬⁄ büyüklüğüne sahip ızgara dalga vektörünü ifade etmektedir [1].

FBI’daki ızgara saçak aralığı (Λ) ızgara periyodu olarak isimlendirilmektedir. Tekdüze ızgaralar için ızgara periyodu, ızgara boyunca sabit kalırken, cıvıltılı ızgaralarda değişmektedir. Kırılma indisinde meydana gelen değişim miktarı ise, Tekdüze ızgaralarda ızgara uzunluğu boyunca sabit kalırken, apodize ızgaralarda farklılık göstermektedir.

ᴧ

n(z)

n(0)

z Δn

Şekil 3.17. Tekdüze FBI’nın kırılma indis gösterimi[105]

Şekil 3.17’den de görüldüğü gibi Bragg ızgara fiber boyunca oluşan kırılma indis dağılımı(n(z)) ile karakterize edilmektedir [105]. Burada z fiber öz üzerindeki konumu ifade etmektedir. Δn ise kırılma indis farkını ifade etmektedir. Fiber boyunca kırılma indis dağılımı Eş. 3.2 ile gösterilmektedir.

𝑛(𝑧) = 𝑛₀+ 𝛥𝑛_𝑑𝑐(𝑧) + 𝛥𝑛_𝑎𝑐(𝑧). 𝑐𝑜𝑠 (^2𝜋

𝛬 𝑧 + 𝜃(𝑧)) (3.2)

Burada 𝑛₀ ızgara özelliğine bağlı kırılma indisini, 𝛥𝑛_𝑎𝑐(𝑧) kırılma indis modülasyon genliğini, 𝜃(𝑧) z ile yavaşça değişen periyot cıvıltısını ve 𝛥𝑛_𝑑𝑐(𝑧) ise ortalama kırılma indis değişimini ifade etmektedir [1].

Işık, dar dalgaboyu aralığında FBI boyunca ilerlerken, toplam yansıma Bragg dalgaboyunda gerçekleşmektedir. Ayrıca bunun dışında yanal loblar da oluşmaktadır. Bragg dalgaboyuna yakın bulunan bu yanal lobları bastırmak için apodizasyon tekniği kullanılmaktadır.

Modülasyon genliğinin ızgara boyunca değiştirilmesi işlemine apodizasyon denilmektedir.

Bu işlemden geçen FBI da apodize edilmiş ızgara olarak tanımlanmaktadır [1, 105].

FBI’ların farklı ızgara ve kırılma indis değişim yapıları bulunmaktadır. Yaygın olarak kullanılana yapılar tekdüze, cıvıltılı, eğimli ve katlı yapılardır [1, 4]. Bu FBI yapıları Şekil 3.18’de görülmektedir.

Tekdüze (Uniform) FBI

Cıvıltılı(Chirped) FBI

Eğimli(Tilted) FBI

Katlı (Superstructure) FBI

Şekil 3.18. FBI’daki kırılma indis değişim yapıları [1,113]

Algılama sistemlerinde çoğunlukla tekdüze ızgaralar kullanılmaktadır. Eğimli ızgaralar erbiyum katkılı yükselteçlerde kazanç eşitlemek için, cıvıltılı ızgaralar haberleşme uygulamalarında dispersiyon kompanzasyonu için, katlı ızgaralar ise ayarlanabilir lazer sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır [1,2].

FBI’larda indis modülasyonunun fazı genellikle sabit bir değere ayarlanmıştır. Ancak faz kaymalı ızgaralarda bu değer değişebilmektedir. Faz kayması darbantlı bir iletim penceresi açmakta ve bu FBI’lar dar bantlı iletim filtresi olarak kullanılabilmektedir [1,2].